CN111433551A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在至少两种流体之间交换热量的钎焊板式热交换器(100)，包括多个设置有压制图案的细长热交换器板(110)，所述压制图案包括凹陷和隆起，所述凹陷和隆起适于在形成用于介质以交换热量的板间流动通道的情况下通过相邻板的隆起和凹陷之间的接触点使所述板保持彼此相距距离。至少四个端口开口设置在细长热交换器板的角区域中，并且与板间流动通道选择性地流体连通，使得用于热交换的流体将在平行于细长热交换器板的长边的端口开口之间流动。提供了密封板间流动通道以免与周围连通的周向密封件，并且通过钎焊将热交换器板接合。周向密封部分地由彼此接触的相邻板的裙部之间的接触产生，所述裙部至少部分地沿着每个热交换器板的两个侧边延伸，并且周向密封部分地由沿着热交换器板的另外两个侧边延伸的平坦区域之间的接触产生。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于在至少两种流体之间交换热量的钎焊板式热交换器，该热交换器包括若干个设置有压制图案的细长热交换器板，该压制图案包括凹陷和隆起，该凹陷和隆起适于在形成用于热交换介质的板间流动通道的情况下通过相邻板的隆起和凹陷之间的接触点使板保持彼此相距一定距离，至少四个端口开口设置在细长热交换器板的角区域中，并与板间流动通道选择性地流体连通，使得热交换流体将在平行于细长热交换器板的长边的端口开口之间流动，并且周向密封密封板间流动通道以防止与周围环境连通，其中热交换器板通过钎焊连接。
本发明还涉及一种用于制造包括在根据本发明的热交换器中的热交换器的方法。
现有技术
钎焊板式热交换器长期以来一直用作在两种或更多种介质之间交换热量的有效方式以交换热量。通常，钎焊板式热交换器包括多个热交换器板，所述热交换器板设置有压制的脊和槽的图案，其中相邻板的脊和槽形成接触点，所述接触点保持所述板彼此相距一定距离，使得在相邻板之间形成板间流动通道。端口开口被布置成选择性地与板间流动通道连通，并且密封件沿热交换器板的周边延伸以便密封板间流动通道，使得没有流体从板间流动通道泄漏。在热交换器板堆叠在堆叠中之后，热交换器板被钎焊在一起以形成热交换器。
周向密封可以(至少)以两种不同的方式制成，最常见的方式是为板提供围绕热交换器板的周边延伸的周边裙部，其中相邻板的裙部将形成密封板间流动通道的重叠接触。一种更不常见的解决方案是提供具有平坦区域的热交换器板，该平坦区域布置成沿着热交换器板的周边接触相邻热交换器板的平坦区域。然而，这种解决方案是不常见的，主要是由于这种解决方案将给出具有其中将不发生热交换的横向通道的流动通道。
用于钎焊板式热交换器的热交换器板通常在强力液压机中压制，其中压制图案、端口开口的高度和周向裙部在一个单一操作中被压制到平板中。
尽管在一个单一操作中压制热交换器板产生了令人满意的结果，但是它不是没有问题：首先，如果板很大，则压板所需的力变得非常大(几千吨的压力并非不寻常)，这需要昂贵且消耗大量电力的大型压力机。
形成热交换器板的另一种方式是辊轧成形。迄今为止，通过辊轧成形不可能提供具有周向裙部的热交换器板，而只能提供适于平直钎焊到相邻板的类似表面上的周向密封表面。如上所述，由于裙部环绕直通道而不可避免地为通道之一形成热交换，因此设置有这种表面的热交换器比通过重叠地相互作用的周向裙部密封的热交换器效率低。
本发明的目的是提供一种热交换器和一种用于制造这种热交换器的方法，其克服了上述和其它问题。
发明内容
上述和其它问题通过一种热交换器来解决，其中周向密封部分地由彼此接触的相邻板的裙部之间的接触产生，所述裙部至少部分地沿着每个热交换器板的长边延伸，并且部分地由沿着热交换器板的短边延伸的平坦区域之间的接触产生。
优选地，热交换器板由厚度为0.1至2mm的奥氏体不锈钢制成，因为这种厚度将提供所需的强度，同时能够低成本生产。
在本发明的一个实施例中，通过在高水平上设置一些端口开口并在低水平上设置一些端口开口，使得如果围绕端口开口的区域彼此接触则将产生密封，并且当围绕端口开口的区域彼此不接触时将产生端口开口和板间流动通道之间的连通，从而实现端口开口和板间流动通道之间的选择性流体流动。该实施例的优点在于，不必设置额外的密封环以实现端口开口与板间流动通道之间的选择性连通。
在本发明的一个实施例中，热交换器板是相同的，并且每隔一个板在其平面中翻转180度，然后放置成堆叠以形成热交换器。该实施例的优点在于整个热交换器可以仅由一种类型的热交换器板制造。
在本发明的一个实施例中，至少部分地沿着热交换器板的长边延伸的裙部布置成相对于热交换器板的平面接近垂直，使得相邻板的裙部将以重叠的方式彼此接触，并且在钎焊之后提供用于板间流动通道的密封。该实施例的优点在于，它提供了具有高效热传递的热交换器。
在本发明的一个实施例中，沿着热交换器板的短端的平密封由细长区域提供，该细长区域适于以与围绕端口开口的区域彼此接触的相同方式彼此接触，以便在端口开口和板间流动通道之间提供选择性连通。该实施例的优点在于，流体的横向分布将是有效的，并且热交换器板可通过辊轧成形来制造。
在本发明的一个实施例中，在平的密封表面和裙部密封件之间的相互接合处提供包括裙部-裙部密封和平密封。
在本发明的一个实施例中，端口开口是液滴形状的，以便提供尽可能大的端口开口面积。
在本发明的一个实施例中，裙部沿着热交换器板的整个长边延伸。该实施例的优点在于，它提供了一种沿热交换器长度具有相等宽度的强热交换器。
在本发明的一个实施例中，热交换器板通过辊轧成形制造。该实施例的优点在于，辊轧成形提供了一种制造热交换器板的成本和能量有效的方式。
此外，本发明通过一种用于形成包括在根据前述权利要求中任一项所述的热交换器中的热交换器板的方法解决了上述和其它问题，所述方法包括以下步骤：
将金属片材的坯料或连续条带供给到辊轧成形设备中，所述辊轧成形设备包括至少两个辊，所述至少两个辊具有包括脊和槽的图案，所述至少两个辊适于将包括脊和槽的图案压制到所述坯料中；
在金属片材的坯料或条中冲压端口开口；以及
在将条供给到辊轧成形设备中的情况下，将条切割成与换热器板的所需长度相对应的长度。
在该方法的一个实施例中，其中一个辊可被提供动力，而另一个辊可自由旋转。该实施例的优点在于，通过辊轧成形操作在压制板中产生最小量的应力。
在该方法的其它实施例中，两个辊都可以被提供动力。
在本发明的另一个实施例中，辊可以具有不同的直径。这是有益的，因为在具有至少一个大直径辊的同时可以实现高“夹持力”。
附图的简要说明
下面将参照附图描述本发明，其中：
图1是示出根据本发明一个实施例的两个相邻热交换器板的短端的分解透视图；
图2是根据本发明的一个实施例的热交换器的分解透视图，所述热交换器包括根据图1的热交换器板；
图3是示出根据本发明另一实施例的两个相邻热交换器板的短端的分解透视图；
图4是根据本发明另一实施例的热交换器中所包括的根据图3的两个热交换器板的分解透视图；以及
图5是示出根据本发明的热交换器板的辊轧成形的透视图。
具体实施方式
在图1中，示出了两个热交换器板110的短端。热交换器板110可以由例如厚度为0.1至2mm的奥氏体不锈钢制成，但也可以由其它厚度的其它材料制成。每个短端包括两个端口开口120a和120b，其中端口开口120a设置在高水平上，端口开口120b设置在低水平上。每个热交换器板110的短端并不相似。相反，密封表面130a、130b和140a、140b分别与围绕端口开口120a、120b的区域是彼此的镜像。密封表面130b、密封表面140b和围绕端口开口120b的区域位于低水平上，而密封表面130a、密封表面140a和围绕端口开口120a的区域位于高水平上。
当热交换器板110堆叠在堆叠中以形成热交换器时，每隔一个的热交换器板110在其平面中相对于相邻的热交换器板旋转180度，这意味着在每隔一个的相邻的板接触中的密封表面130a和130b之间以及端口开口120a、120b之间，以及在其它的相邻的板接触中的密封表面140a和140b与其它端口开口120a和120b之间将存在交替的接触。当钎焊时，钎焊材料将填充相邻板的接触表面之间的微小空间，因此当钎焊材料冷却并凝固时在接触表面之间产生密封。
另外，热交换器设置有脊R和槽G的压制人字形图案。由于人字形图案，一旦每隔一个板在其平面中转动180度，相邻板的脊和槽将形成接触点，使得在板间流动通道的形成下，热交换板将保持彼此相距一定距离。相邻板的脊和槽之间的接触点也将被填充钎焊材料，从而在相邻板的脊和槽之间形成接合。
沿着热交换器板的长边的一部分，设置了裙部150。这些裙部150布置成相对于热交换器板的平面接近垂直，使得相邻板的裙部150将彼此接触，并且在钎焊之后提供用于板间流动通道的密封。
在密封表面140a、140b和裙部150之间的相互接合处，存在重叠密封，其包括通过裙部150的重叠的裙部-裙部密封和表面140a、140b和130a、130b之间的密封。
通过将沿着短边和围绕一些端口开口的“平密封”与沿着长边的裙部-裙部密封相结合，获得了具有有益特性的热交换器。与沿着热交换器的长边具有“平密封”的热交换器不同，将不存在将不与在相邻板间隙中流动的介质交换热量的流体的旁路，这对于长边被平密封的热交换器是不可避免的。
然而，沿着热交换器的短侧边将存在一些流体短路。然而，这是有益的，因为这种短路将有助于流体的横向分布。
在图2中，以分解透视图示出了包括八个热交换器板110、起始板160、端板170和四个端口连接件180的热交换器100。起始板160设有四个端口开口160a-160d，它们与热交换器板110的端口开口120a、120b(见图1)对准。如图2所示，每隔一个的热交换器板110与其相邻的板相比在其平面中转动180度，并且由于围绕端口开口的区域的布置，在端口开口和板间流动通道之间将存在选择性的流体连通。而且，应当注意的是，热交换器板110的端口开口120a、120b不是圆形的。相反，它们是液滴形状的以便增加其流动面积。然而，在不背离本发明的情况下，可以使用——包括圆形的——每个可能的端口开口配置。
在图3和4中，示出了本发明的另一个实施例。在该实施例中，裙部-裙部密封件沿着热交换器板的整个长边延伸。这是有益的，因为热交换器的宽度在整个长度上将是相等的。应当注意，热交换器板的短边附近的端口开口和密封表面与图1和2所示的实施例的相应表面相同。
然而，根据本发明的热交换器的最显著的益处是，可以辊轧成形热交换器板110，而不是在“普通”单行程液压机中挤压热交换器板。
参照图5，示出了在辊轧成形设备200中的换热板110的辊轧成形。辊轧成形设备200包括两个相对的辊210、220，每个辊包括适于将相应的压制图案压制到金属片材板中的脊和槽的图案，金属片材板以从卷材(未示出)供给的金属片材的带材230的形式在辊之间辊轧。齿轮系统(未示出)确保辊210、220将连贯地旋转，使得适当的压制图案将在辊之间行进的金属片材板中产生。应当注意，在一些情况下，即，在相对的卷的图案彼此咬合的情况下，可能不需要确保卷之间的一致性的齿轮箱；如果辊可以相对于彼此略微地来回旋转，从而允许具有压制图案的板的应力消除，则实际上可能是有利的。为了切割压制的金属片材板，切割步骤可以包括在要被压制到金属片材板中的脊和槽的图案中。或者，切割在连续的工艺步骤中进行，并且可以通过本领域技术人员公知的工艺例如辊切割来进行。
在本发明的一个实施方案中，相对的辊由步进电机控制，使得辊之间的角度关系可被控制。为了减少或控制由压制操作引起的板的弯曲，这种控制可能是必要的。
在本发明的一个实施例中，两个辊的直径相同。在本发明的其它实施例中，辊可具有不同的直径；然而，如果辊的周长使得两个辊的周长等于一定数量的热交换器板的长度，则是有利的。
例如，一对辊可以包括具有等于两个热交换器板长度的周长的第一辊和具有等于一个热交换器板长度的周长的第二辊。在这种布置中，较小的辊将以较大的辊的两倍的速度旋转。在其它实施例中，大辊和小辊之间的关系可以是例如1:3或2:3，其中将对应地控制辊的旋转速度。
在图5中，金属片材以连续带230的形式从卷材(未示出)供给到相对的辊。金属片材条可以具有由钎焊材料制成的涂层，钎焊材料即具有比金属片材本身低的熔化温度的金属或合金。
或者，钎焊材料可以设置为箔带(未示出)，其平行于金属片材条被送入辊轧成形设备200。
或者，钎焊材料可以在压制之后喷涂或滚压到压制的金属片材板上。
而且，钎焊材料可以以包括钎焊合金粉末、粘合剂和挥发性溶剂的膏的形式施加到板上。优选地，通过丝网印刷将钎焊材料膏施加到相邻板的压制图案之间的接触点附近或该接触点处。
待压制的金属片材还可以所谓的“坯料”的形式提供给辊轧成形设备，即，金属片材条在压制操作之前已经被切割成合适的长度。坯料还可以设置有用于端口开口120a、120b的孔。将板切割成适当长度和提供形成端口开口的孔两者都可以通过单个辊切割步骤来执行，但是也可以通过例如片材的冲压切割来执行。然而，冲压切割(press cutting)具有不连续工艺的缺点，如果在生产线中在不连续冲压成形工艺和连续辊轧成形工艺之间没有设置均衡步骤，则这将干扰连续辊轧成形工艺。
如上简述，板在辊轧成形操作期间可能弯曲。通过控制辊的旋转速度(以及辊的相互旋转定位的错位偏心度)，可以避免这种弯曲，但是如果这种控制不够充分，则可能需要提供放置在辊轧成形设备“下游”的另外的减弯辊。减弯辊优选地放置在三叶草形(trefoilor shamrock)结构中，使得进入减弯辊装置的板将被弯曲以塑化成正确形状。
在本发明的另一个实施例中，通过具有允许板塑化成正确形状的冲压工具来矫直板。
在辊轧成形、切割板和将钎焊材料提供给板之后，将热交换器板放置成堆叠，其中，如果热交换器板相同，则每隔一个板在其平面中相对于其相邻板转动180度。(注意：如果在辊的一个回转中压制两个、四个或任何其它偶数的板，则不需要在板的平面中转动板，因为板的压制图案可以适于使得相邻的板以期望的方式配合)。由于沿着热交换器板110的长边设置裙部150，板将在横向方向上自定心。然而，在纵向方向上将没有相应的自定心功能，因为板的短边设置有“平密封”，这将不在板之间产生纵向互锁。因此，关键的是，某种外部框架确保纵向定位。确保板在板堆中的纵向定位正确的一种方式是将板堆压在两个“壁”之间，其中“壁”之间的距离等于热交换器板的长度。
如果需要，端板(未示出)可以放置在热交换器板的堆叠的任一侧上。端板可以由比热交换器板更厚的金属片材制成，以便为热交换器提供刚性并且能够实现例如到端口开口120a、120b的连接的牢固紧固。优选地，端板中的一个不设有端口开口。端板可具有与热交换器板类似的形状，以便在端板端部与其相邻的热交换器板110之间提供板间流动通道，但也可使用其它形状。应当注意，如果端板以与热交换器板110类似的方式形成，即，具有脊和槽以便与相邻热交换器板110提供板间流动通道，则本发明对于提供具有压制图案的较厚规格板特别有价值，因为压制力对于较厚规格板通常是关键的。
作为最后的步骤，热交换器板的堆叠在加热到足以部分或完全熔化钎焊材料的温度的炉中彼此钎焊。可以使用固定装置以确保在钎焊操作期间所有板相对于彼此正确定位。

Claims (14)

1.一种用于在至少两种流体之间交换热量的钎焊板式换热器(100)，所述换热器包括多个设有压制图案的换热器板(110)，所述压制图案包括凹陷(G)和隆起(R)，所述凹陷和隆起(R)适于在形成用于热交换介质的板间流动通道的情况下通过相邻板的隆起和凹陷之间的接触点使所述板彼此保持距离，至少四个端口开口设置在所述换热器板的角区域中，并且与所述板间流动通道具有选择性流体连通，使得热交换流体将在细长换热器板的端口开口之间流动，并且周向密封密封所述板间流动通道以免与周围连通，其中所述换热器板通过钎焊连接，其特征在于，所述周向密封部分地由彼此接触的相邻板的裙部(150)之间的接触产生，所述裙部至少部分地沿每个换热器板的两个侧边延伸，并且所述周向密封部分地由沿所述换热器板的另外两个侧边延伸的平坦区域(130A、130b、140A、140b)之间的接触产生，即平密封。
2.根据权利要求1所述的钎焊板式换热器(100)，其中所述换热器板由厚度为0.1mm至2mm的奥氏体不锈钢制成。
3.根据权利要求1或2所述的钎焊板式换热器(100)，其中，通过在高水平处提供多个端口开口(120a)并且在低水平处提供多个端口开口(120b)来实现所述端口开口与所述板间流动通道之间的选择性流体流动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钎焊板式换热器(100)，其中所述换热器板(110)是相同的，并且其中每隔一个板在其平面中转动180度，之后被置于堆叠中以形成所述换热器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的钎焊板换热器(100)，其中，至少部分地沿着所述换热器板的两个侧边延伸的所述裙部(150)布置成相对于所述换热器板的平面接近垂直，使得相邻板的所述裙部(150)将以重叠的方式彼此接触，并且在钎焊之后为所述板间流动通道提供密封。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的钎焊板换热器(100)，其中，沿着所述换热器板的另外两个侧边的所述平密封由细长区域(130a，130b，140a，140b)提供，所述细长区域适于以与围绕所述端口开口的区域(120a，120b)彼此接触相同的方式彼此接触，以在所述端口开口和所述板间流动通道之间提供选择性连通。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的钎焊板换热器(100)，其中，在平密封表面(130a，130b，140a，140b)和由所述裙部(150)提供的密封之间的相互接合处，设置有包括裙部-裙部密封和平密封的密封。
8.根据前述权利要求中任一项所述的钎焊板式换热器(100)，其中，所述端口开口(120a，120b)是液滴形状的，以便提供尽可能大的端口开口面积。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的钎焊板式换热器(100)，其中，所述裙部(150)沿着所述换热器板(110)的两个侧边的整个长度延伸。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的钎焊板式换热器(100)，其中，所述换热器板(110)通过辊轧成形制造。
11.一种用于形成包括在根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(100)中的热交换器板(110)的方法，包括以下步骤：
将金属片材的坯料或连续条(230)供给到辊轧成形设备(200)中，所述辊轧成形设备包括至少两个辊(210，220)，所述至少两个辊具有包括脊和槽的图案，所述至少两个辊适于将包括脊(R)和槽(G)的图案压制到所述坯料或所述连续条中；
在金属片材的坯料或条(230)中冲压端口开口(120a，120b)；以及
在将条(230)供给到辊轧成形设备(200)中的情况下，将条切割成与换热器板的所需长度相对应的长度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述辊(210、220)中的一个被提供动力，另一个自由旋转。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，两个辊(210、220)都被提供动力。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，所述辊(210，220)具有不同的直径。
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